时差法超声波流量计原理及应用
超声波流量计主要用于液体的体积流量测量，在冶金、化工、食品加工、标准计量等领域有着广泛的应用。超声波流量计已有几十年的历史，在原理上主要利用多普勒效应法和时差法。多普勒效应法需要流体中含有反射物质，主要应用于两相流体的检测，此处主要探讨时差法检测。
1.
时差法原理：
超声波有两个重要的特性：定向性，它频率高且短，可以象光波一样沿直线传播；可以在气体、液体、固体中传播。所以大部分流体介质都能用超声波原理检测。它的测量方法可简单比喻为在河流上渡船摆渡的过程，顺流摆渡渡船到达对岸所需的时间要比逆流的少。河流的流速越大，顺流的速度越快，而逆流所需的时间越长。顺流和逆流所需时间的时间差直接与河流的流速有关。在超声波流量计中超声波好比渡船，河流流速等于流体的流速。电声变换器发送和接受的短促声脉冲信号穿过管道中流动的介质。两个变换器分别安装在纵向有偏移的测量管道两侧。这时超声波顺流和逆流传播的时间差与流体的流速成正比。
1.1基本原理
在直型管道中由发送器（S）以与流动方向成锐角的方式发射穿过流动气体或液体的超声波，并用一个接收器（E）接收信号。
在静态液体中，从发送器到接收器超声波运动的速度为c，液体流动的速度为υ，在观察点O处流动速度υ在超声波运动方向上的速度分量是Vα，在流动液体中与此相应的超声波速度为：
c1=c+Vα=c+cosα
如果把发送器和接收器互换，那么速度分量的方向与超声波运动方向相反，超声波的速度为：
c2=c-Vα=c-cosα
当测量距离l已知时，由在测量距离l上的流体平均速度来确定测量时间t1。该时间是顺流时超声波运行距离l所需的时间。但是超声波速度与液体的温度有关，为了补偿温度对测量结果的影响，必须在顺流和逆流两个方向上同时发射超声波，以便同时考虑加以计算。这样，用超声波信号前边缘检测的时间t1和t2为：
由此导出流体V平均流速为：
在测量路径长度L、倾角α以及管道几何尺寸不变的前提条件下，能通过测量2个计时时间t1和t2计算管道的平均速度和静态声速。
两脉冲运行的时间差为：
式中，D为管道的直径。
时间差与沿测量管道方向的平均流速精确地呈线性关系（超声波声道）。但时间差的量值很小，所以时间信号检测非常重要。
1.2
时间信号的检测方法
在时间检测过程中，控制发送的压电脉冲和处理接收信号的测量变送器必须保证有很高的时间分辨率。检测方法经历了过零点检测、相关测量分析以及抗干扰能力和测量精度有很大改善的复杂数字信号处理等阶段。
1.3
发送器和接收器的原理
超声波发送器的种类很多，大致可分为机械和电声两大类。在超声波流量计中通常使用电声型发送器。
电声型超声波发送器把电磁能量转换为机械波的能量。这种能量转换通过电声换能器完成。电声转换器的作用是将高频电源的电磁振荡能量转换为机械振动能量发出超声波。最常用的为压电式，压电式换能器使用逆压电效应产生超声波，从几十千赫到几十兆赫，非常适合工业使用。
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